高层建筑结构设计中风荷载的探讨

高层建筑结构设计中风荷载的探讨
摘要：目前，在进行建筑结构设计时，风荷载的作用越来越大,有时甚至对整个工程具有决定性的作用。

本文将主要对结构上受到的风压和风力以及风振系数和复杂高层建筑进行论述，还阐述了处理风洞试验数据的方法。

关键词：高层建筑、结构设计、风荷载
Abstract: At present, carrying out building structural design,wind loads on the role of growing, and sometimes even the whole project has a decisive effect. This article will focus ondiscussion of the structure by wind pressure and wind andwind-induced vibration coefficient and complex high-rise buildings also elaborated the method of dealing with wind tunnel test data.Key words: high-rise buildings, structural design, wind loads
前言
在进行高层建筑的结构设计时，水平荷载往往起到决定性作用，由于建筑层数的不断增加、高度也逐渐增加，风荷载与地震作用对结构设计的影响也越来越大。

在建筑结构设计中，风荷载的强弱不仅有自然特性决定，还有建筑的体型特征的影响。

风的特征、风压以及风荷载种类
风特征及风压
风是指空气相对于地面的运动。

因为太阳对地球上大气加热和温度上升的不均匀性,在地球相同高度的两点之间形成压力差,这就使压力差不同的地区出现了趋于平衡的空气流动,风由此形成。

风速观测显示瞬时风速组成部分有两个:第一是长周期部分,其周期大小一般大于10min;另一部分则是短周期部分,它是在第一部分的基础上的脉动(或称为波动),其周期一般有几秒至几十秒。

第一部分远离一般结构物的自振周期,其产生的作用力属性是静力性质;但是第二部分则与结构物的自振周期比较接近,所以其作用力属于动力,且属于随机的动力荷载。

在脉动风的作用下结构将产生振动,常简称结构风振。

在工程实际中,通常将风荷载作为平均风(或称静力风)与脉动风(或称动力风)的共同作用。

大量的统计资料表明,近地风的平均风速随着高度的升高而增大,同时对应于不同的地面粗糙度具有不同的变化规律。

通常可采用风速剖面来描述平均风,近地风的平均风速剖面有指数分布和对数分布两种方法,一般常用指数率的描述,其表达式如下:
式中为标准参考高度,为标准参考高度和标准参考高度的平均风速;S为任一高度;为任一高度的平均风速;为地面粗糙度系数。

脉动风速具有零平均值和随机特性,可以采用湍流度剖面、脉动风速谱和空间相关性系数等进行描述。

因此,顺风向的风速由平均风速和脉动风速两部分组成,风速公式可写成:
V(S,T )为t 时刻的风速; (s)为S高度的平均风速;V(s，t)为s高度的脉动风速。

风压是建筑结构设计中的基本设计依据之一,其取值的大小对高层(高耸)和大跨度结构的安全性、适用性、耐久性及是否经济有密切的关系。

基本风压是根据全国的气象台站历年来的最大风速记录,按基本风压的要求,将不同风仪高度和时次时距的年最大风速,统一换算为离地10m,自记10min平均年最大风速,根据该风速,经统计分析确定重现期为50年的最大风速,作为当地的基本风速,再由贝努力公式
确定基本风压。

根据(3)式可得到t时刻S高度的风压W(s，t)为：
式中,(s)为s高度的平均风压, W(s，t)为s高度处的脉动风压。

2、风载荷种类
（1）风对建筑物的作用是一个随机过程，因此，建筑物的风荷载包括三个部分：①平均风压产生的平均力；②脉动风压产生的随机脉动力；③由于风致建筑物振动产生的惯性力。

对于高层建筑来说，动态风荷载不容忽视，要比较准确地确定风荷载往往要依赖于模型风洞试验。

（2）风荷载是由于工程结构阻塞大气边界层气流的运动而引起，具有以下特点：①风荷载与空间位置及时间(不确定性)有关，受地形、地貌、周围建筑环境等因素影响；②风荷载与结构的几何外形相关，结构不同部分对风敏感程度不同；③对具有显著非线性特征的结构，可能产生流固耦合效应；④结构尺寸可能在多个方向比较接近，风荷载需要考虑空间相关性；⑤脉动风的强度、频率、风向是随机的；⑥风荷载具有静力和动力的双重特点，其动力部分即脉动风的作用会引起高层建筑的振动(即风振)。

风荷载的计算
1、风力的计算
风荷载是结构设计的重要荷载,在工程计算中,常采用集中风荷载
式中,P(s)为顺风向s高度处总静力风荷载;Pc(s)为顺风向s高度处静力风荷载;Pd(s)为顺风向s高度处风振动力风荷载。

式中,为垂直于建筑物表面上平均风荷载受风面积;为风荷载体型系数,为风压高度变化系数,为基本风压。

2、风振系数的计算
（1）风振系数
在结构设计中,习惯用等效静力风荷载来考虑风的动力效应。

而等效静力风荷载可以用静力风荷载和风振系数的乘积Ps=Pc(s)表示,所以对风振系数的研究就显得尤为重要。

常用的风振系数有荷载风振系数和位移风振系数。

荷载风振系数定义为节点静动力风荷载的总和与静力风荷载的比值,即:
位移风振系数定义为节点静动位移的总和与静位移的比值,即:
式中,、和分别为总风响应、平均风响应和脉动风响应。

(2)高层建筑结构的风振计算
我国的《建筑筑结构荷载规范》(GB50009-2001)规定:对于构筑物,当高层(高耸)建筑和大跨度屋盖自振基本周期T ≥ 0.25s时,或对于建筑物,当高度超过30m且高宽比大于1.5时,(对于厂房,跨度在36m以上)建议考虑风振影响。

对于T ≥ 0.25s的构筑物和高度小于30m或高宽比小于1.5的房屋建筑,以及小于上述跨度的屋盖,虽然也存在少量风压脉动的影响,但此时往往按构造要求进行设计,结构有足够的刚度,因而一般不考虑风振影响。

然而,随着我国建筑的飞速发展,很多
建筑结构都进入了要考虑风振的影响的行列。

我国规范给出了高层结构顺风向的风振系数。

在s高度处的风振系数的计算公式如下:
式中ξ、、分别为脉动增大系数、脉动影响系数和振型系数,三者可以查规范的表格得到。

为风压高度变化系数。

四、刚性模型风洞试验数据处理的方法
风洞试验是结构风工程领域极其重要而且不可缺少的研究手段。

由于许多建筑尚处于设计阶段,无法进行现场实测。

所以现在基本上还只能采用缩尺模型风洞试验的方法来确定作用在结构上的风荷载。

用于建筑结构的缩尺模型风洞试验可分为刚性模型风洞试验和气动弹性模型风洞试验。

前者忽略了来流之间的相互耦合用,主要用来测量作用在结构上的平均风荷载和脉动风荷载。

后者考虑了结构来流之间的相互耦合作用,主要用来测定结构在边界风场中的动力响应。

但是因为气动弹性模型风洞试验要求满足一系列的相似条件,虽然精度高,但是难度大,所耗的人力、物力和财力较大。

因此刚性模型风洞试验是目前用得最为广泛的一种方法。

风洞试验测得的数据是时间历程,诸多都文献提出了多阶模态力法,其基本思路是将各测点的脉动风压和结构的各阶模态相乘转换为相应的模态力,采用振型叠加法在广义坐标中求出结构的响应。

它的优点在于只要在刚性风洞试验中输出各阶模态力系数和模态力谱,就能快捷的计算得到结构的风振响应和风振系数。

五、结语
在进行高层建筑结构设计时,要对风振响应和风振系数计算加以重视。

现阶段，我国现有的相关规范和标准提供了针对高层高耸结构在顺向风效应的风振系数的计算方法,然而，该方法对于复杂高层建筑和大跨度建筑并不是很合适。

所以,在进行复杂高层建筑设计时,要使用奇特更加精确的方法来计算风荷载。

参考文献：
覃小红梁瑞庆：《高层建筑结构设计中风荷载的探讨》
施耀新：《高层建筑基础设计中有关风荷载参与荷载组合的探讨》蔡志波：《高层建筑风荷载及抗风设计》
王敏霍小平：《风荷载与高层建筑体型设计浅析》。